JP2000513786A - 内燃機関ターボ過給機システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃機関ターボ過給機シシステムに対して、内燃機関とターボ過給機との間の同調が示され、この同調が、さらにわずかな熱負荷において最大のブレーキ出力を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関ターボ過給機システム 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の内燃機関ターボ過給機システ ムに関する。 このような内燃機関ターボ過給機システムは、例えばドイツ連邦共和国特許第 ４２３２４００号明細書により公知である。ここでは流れ通路から出るかつター ビン羽根車に連通するリングノズル状の範囲に、リング状の挿入体が軸線方向に 押込み可能であり、この挿入体は、部分的に案内装置として形成されており、か つ異なった設置の案内羽根を有し、これらの案内羽根は、リング状挿入体の軸線 方向設定位置に依存して挿入される。さらに可動の管状のスリーブ部分によって 形成されたリング状の挿入体は、１つの軸線方向範囲を有し。この軸線方向範囲 は、ブレーキ動作のために遮断装置としてリングノズル状の入口範囲に対して軸 線方向に覆われ、かつこの軸線方向範囲は、その流通横断面積に関して、タービ ン羽根車への移行部において排気ガスに対して絞りとしてブレーキ動作において 変化しないもっとも狭い流れ横断面積を決めるような寸法を有する。このように して大きなブレーキ出力が達成できるが、これらのブレーキ出力を内燃機関のわ ずかな熱負荷の際に実現し、とくに回転速度との適当な対応においてもかつ十分 に広い回転速度帯域にわたって実現するという困難が提供されるので、全体とし てこれらの要求に合った内燃機関とターボ過給機との間の相応する同調を見付け るという困難が存在する。 本発明によれば、比較的小さな熱負荷の際に走行運転に対して重要な機関の回 転速度に適当に対応して、ブレーキ動作に対して望まれる大きなブレーキ出力を 可能なようにする、内燃機関ターボ過給機システムを提供するようにする。 このことは、内燃機関ターボ過給機システムにおいて、請求の範囲第 １項の特徴による構成によって達成され、この構成によれば、タービンは、内燃 機関の総合行程容積に関してその主パラメータにおいて、最大ブレーキ出力が可 能になり、しかも内燃機関の比較的小さな熱負荷においてかつ商用車の運転にと って適当な十分に広い回転速度範囲内において可能になるように確定されている 。 その際、次の関係が成立ち、 ＴＢＦ＝ＡＴ×ＤＴ／ＶＨ その際、ＡＴによりタービンへの排気ガス通路において最大ブレーキ出力の際 に固定絞りとしての遮断装置及び排気弁によって空けられる流れ横断面積が示さ れ、ＤＴによりタービン羽根車の入口直径が、かつｖＨにより内燃機関の行程容 積が示されている。ＴＢＦは、ターボブレーキ係数を形成し、このターボブレー キ係数は、本発明の枠内において０．００５（５‰）より小さく、かつこれは、 なるべく０．００１ないし０．００３（１−３‰）にある。 最大ブレーキ出力の構成点に関して本発明の枠内において、タービンへの排気 ガス通路において最大ブレーキ出力の際に空けられる流れ横断面積は、下側回転 速度範囲をカバーしかつタービンへの移行部において遮断装置によって空けられ た横断面積割合、及び最大ブレーキ出力の構成点に対して大きくなりかつ排気弁 によって空けられる流出横断面積によって形成される可変の流れ横断面積割合に よって形成されている。最大ブレーキ出力に向かつて増加しかつ排気弁によって 空けられる流出横断面積に相当する可変の追加的な横断面積割合対遮断装置によ って空けられる横断面積割合の比は、本発明の枠内において最大ブレーキ出力の 構成点に対して０．２より大きく、かつなるべく０．２と１の間の範囲にある。 それより小さな比の数の際に、下側回転速度範囲におけるブレーキ出力は、比較 的小さく、かつ上側回転速度範囲において比較的急に増加し；それより大きな比 の数の際に、下側回転速度範囲にすでにさらに大きなブレーキ出力が生じ、構成 点として最大ブレーキ出力の点に向 かってブレーキ出力のそれより小さな比の数と比較してそれより平らな上昇を有 する。機関の回転速度帯域に関して、排気弁によって決められる追加的な可変の 流出横断面積が空けられる上側回転速度範囲は、最大ブレーキ出力の際に与えら れる回転速度のほぼ２／３ないし３／４において始まり、その際、最大ブレーキ 出力の際に与えられる回転速度は、内燃機関の定格回転速度、したがって内燃機 関の最大出力における回転速度よりほぼ１／４ないし１／３だけ高い範囲にある 。 本発明のそれ以上の詳細及び特徴は、請求の範囲から明らかである。さらに本 発明は、次に図面によりなお詳細に説明し、その際 図１は、ターボ過給機の断面図を概略的な表示で示し、 図２は、案内装置として形成された遮断装置を示す図１の線ＩＩ−ＩＩに沿っ た断面図を示し、 図３は、排気弁の配置と形成を示す大幅に概略化した拡大した断面図を示し、 かつ 図４は、最大ブレーキ出力の際に追加的に空けられる可変の流出横断面積対閉 じた遮断装置の際に与えられる流れ横断面積の種々の比の際に機関回転速度に関 するブレーキ出力の基本的な経過を示す概略的な基本図を示している。 図１及び２による概略的な表示において、１によりターボ過給機が示されてお り、このターボ過給機は、タービン部分２及び圧縮機部分３を含み、その際、タ ービン羽根車４は、軸５を介して圧縮機羽根車６を駆動する。ターボ過給機１は 、その輪郭について暗示された機関７に付属しており、かつ機関の排気ガスは、 機関からまずタービン部分２の流れ通路８に流入し、この流れ通路は、二重流渦 巻通路としてタービン羽根車４を囲んでおり、かつリングノズル９を形成するリ ング状の半径方向通路を介してタービン羽根車４の羽根１０に連通しており、こ れらの羽根車を介して、半径方向に流入する排気ガスは、転向され、かつ軸線方 向通路１１に供給され、この軸線方向通路は、それ以上図示しない様式 で、内燃機関又は車両の排気ガスシステムに接続されている。 リングノズル９、タービン羽根車４及び軸線方向通路１１に対して同軸的に、 軸線方向通路１１を区画するハウジング１２に対して、管状のスリーブ１３が支 持されており、このスリーブは、共通の軸線１４の方向に可動であり、かつこの スリーブは、リングノズル９に付属のその端部に、案内羽根１５によって形成さ れる案内装置１６を支持している。案内装置１６は、スリーブ１３の軸線方向移 動によって−移動手段１７はそれ以上詳細に示されてない−リングノズル９の横 断面積が空いたここに図示しない不活性位置から、案内装置１６がその案内羽根 １５によってリングノズルの横断面内にありかつそれにより遮断装置としてその 空いた流れ横断面積を著しく狭める図１に示した位置に動かすことができる。流 れ通路８を介して供給される排気ガスのために、案内装置１６は、それにより案 内装置によって決められる固定の横断面積を有するリングノズル９の範囲にある 絞り位置を形成するので、リングノズル９の範囲への案内装置１６の押込みによ って、流れ通路８からタービン羽根車４への排気ガスの供給流は絞ることができ る。このことは、ブレーキ動作のために、排気ガスの停滞を介して機関のブレー キ出力を高めるために考慮されており、その際、羽根によって追加的にタービン 羽根車４の流入が保証されており、この流入は、圧縮機の十分な送り出力を保証 し、かつ同時にブレーキ動作から出力動作に移行する際にターボ過給機の急速な 応答を保証するターボ過給機の基本回転速度も保証する。 図２は、羽根１５の選ばれた位置及び形の結果、リングノズル９内における流 れ横断面積の著しい減少が生じることを示しており、その際、タービン４への移 行部において排気ガスのために羽根１５によって空けられる横断面積は、大体に おいて羽根の数掛けるその重なり合った端部の範囲における羽根の半径方向間隔 に相当する。 リングノズル９のリング空間内にスリーブ１３に付属の羽根１５を有する案内 装置１６を軸線方向に押込むことによって、図示したように、 絞り位置が提供される。それにより達成される絞りは、案内装置の相応する構成 の際に、回転速度の増加の際に排気ガス流の増加とともに内燃機関７が破壊され るほど大きいことがある。このことを予防し、かつ実際の動作にとって適当であ りかつ大きなブレーキ出力にもかかわらずブレーキ動作における内燃機関に対す る熱負荷をわずかに維持する機関のブレーキ特性を達成するため、図３に例示す るように、流れ通路８に排気弁１９が付属しており、この排気弁の弁２０は、図 示したその閉じ位地の方向に負荷をかけられており、かつ閉じ位置において弁座 ２１をその弁頭２２によって覆っており、この弁頭は、流れ通路８の両方の流れ を切断している。弁２０が開かれると、排気ガスは、流れ通路８の両方の流れか ら弁座２１を介して弁空間２３に供給し、この弁空間は、それ以上図示しない通 路２４を介して内燃機関又は車両の排気ガスシステムに接続されているので、弁 ２０を開いた際に排気弁１９を介して、タービンへのその流入通路に関して機関 ７の排気ガスのためのバイパスが提供されている。このバイパスは、図示した実 施例とは相違して、タービン羽根車の羽根の流出側の範囲にも連通することがで きる。 本発明によれば、内燃機関及びターボ過給機に対するできるだけ小さな熱負荷 を前提として、内燃機関、ターボ過給機及び達成可能なブレーキ出力の間の関係 を確定する。 その点においてタービン羽根車への排気ガスの入口直径に意味があり、かつこ の入口直径は、図１及び２による実施例においてＤＴによって示されている。 さらにタービンへの排気ガス通路におけるタービン羽根車及び排気弁への移行 部において遮断装置によって最大のブレーキ出力の際に空けられている流れ横断 面積が役割を演じる。これは、固定成分及び可変成分から構成される。固定成分 は、遮断装置によって、したがって例えば案内装置の幾何学的構造によって決め られ、可変の部分は、排気弁の開き度によって決められている。遮断装置は、案 内羽根を有する案内装置に よって形成しなければならないのではなく、例えば相応する横断面積の穴又は切 り欠きを有するスリーブとして構成してもよい。 図示した実施例において、リングノズルは、タービン羽根車を半径方向に囲ん でいるので、統一的な直径においてタービン羽根車への供給流が行なわれる。 しかし流れ通路の二重流に相応して異なった流入通路が与えられるので、“リ ングノズル”が、例えば半径方向及び半軸線方向通路部分を囲む解決策も、提示 可能であり、かつ周知である。この時、これらの通路部分のために、タービン羽 根車への異なった入口直径が与えられ、かつこの時、平均化した入口直径ＤＴを 形成するためにそれぞれの入口直径を考慮して横断面積成分の重み付けを行なう ことは、本発明による教示の適用において有利なことがある。 ブレーキ動作のために大きなブレーキ出力が比較的小さな熱負荷に結び付いた 内燃機関ターボ過給機システムに通じかつ本発明により与えられる関係は、次の ようになっている： ＴＢＦ＝ＡＴ×ＤＴ／ＶＨ その際、ＴＢＦはターボブレーキ係数を形成し、これは、０．００５より小さ く、かつなるべく０．００１と０．００３の間、とくに０．００２にある。ＶＨ により、内燃機関の総合行程容積が示されている。 タービンへの排気ガス通路において最大ブレーキ出力の際に遮断装置及び排気 弁によって空けられる流れ横断面積が、擬似的に遮断装置によって条件付けられ た固定成分、及び排気弁の開き度に依存する可変成分を含む。したがって最大ブ レーキ出力に関して、タービンへの排気ガス通路における空いた流れ横断面積は 、次のように確定されている： ＡＴ＝ＡＤ＋ｄＡＶ，ｍａｘ その際、ＡＤは、流れ通路８とタービン羽根車との間の移行部において固定絞 りとして使用される遮断装置によって空けられる横断面積であるが、一方ｄＡＶ ，ｍａｘによって、最大ブレーキ出力の際に排気弁に よって空けられた可変の横断面積成分が示されている。ｄＡＶ，ｍａｘ対ＡＤの 比ＶＦは、なるべく０．２より大きく、かつとくに０．２と１の間の範囲にあり 、その際、ＶＦによって示されたこの比の数は、ブレーキ出力がすでに低い機関 回転速度の際に高くしようとするほど、大きく選定される。 図４は、このことを概略的な線図において説明しており、この線図において機 関回転速度ｎに関するブレーキ出力Ｐが記入されており、その際、曲線ａは、全 回転速度範囲にわたってタービンへの排気ガス通路における流れ横断面積が同じ 大きさに維持され、実際に、したがって図１及び２による実施例に関してブレー キ動作において遮断装置だけによって動作し、かつ排気弁が存在しない場合につ いて、内燃機関ターボ過給機システムに関する状態を記述している。曲線ｂは、 最大ブレーキ出力における構成点Ｐｍａｘにおいて曲線ａと交差しているが、曲 線ａの上にあり、かつ低い機関回転速度範囲においてすでに大きなブレーキ出力 が与えられ、かつそれにより類似の機械構成及び同じ排気ガス量に関して下側の 回転速度範囲において、タービンへの排気ガス通路においてさらに小さな流れ横 断面積が存在しなければならない機械構成を説明している。下側機関回転速度範 囲においてさらに小さな流れ横断面積を有するこの構成に、上側回転速度範囲に 対する可変の横断面積成分の拡大が対応している。なぜならそうしないと低い機 関回転速度レベルにおいて最大のブレーキ出力に達してしまうからである。排気 弁の開きの開始は、ＰＯにおいて暗示されており；可変の流出横断面積ｄＡＶ， ｍａｘを接続することなく、ＰＯから出発して破線で示す一層急な曲線経過が生 じる。 曲線ｃは、下側回転速度範囲においてなおさらに大きなブレーキ出力を有する 別の変形を示しており、かつ機械の同じ基本構成を仮定して、同じ機関回転速度 の際に最大ブレーキ出力Ｐｍａｘを達成しようとする場合、上側回転速度範囲に 対する流れ横断面積の可変の成分は、場合ｂ におけるものより大きくなければならない。ここでも曲線ｂと同様に、可変の成 分のための接続点は、したがって排気弁のための接続点は、ＰＯによって示され ており、その際、排気弁は、接続点からＰｍａｘまで常に引続き開かれる。 したがって可変の流れ横断面積ｄＡＶ，ｍａｘの接続は、機関回転速度に関す るブレーキ出力の一様な上昇を保証するために、総合開口横断面積における可変 の成分の増加とともに、又は下側回転速度範囲における大きくなるブレーキ出力 とともに、なるべくそれぞれ低い回転速度において行なわれる。 内燃機関ターボ過給機システムに関して、目的に合うように最大のブレーキ出 力は、機関の定格回転速度の、したがって最大出力の際の機関の回転速度の範囲 の上にある機関回転速度範囲において達成される。定格回転速度が１８００回転 にある場合、最大ブレーキ出力の際の機関回転速度は、例えば毎分２３００回転 の範囲にあることができ、その際、これは、有利な構成をなしている。回転速度 とともに増大する追加的な可変の流出横断面積が空けられる上側回転速度範囲は 、目的に合うように最大出力の際に与えられる回転速度のほぼ２／３ないし３／ ４において始まり、その際、可変の横断面積成分の大きさは、なるべく回転速度 に依存して最大ブレーキ出力に達するまで連続的に増加し、この最大ブレーキ出 力は、できるだけ小さな熱負荷の際の最大のブレーキ出力についてシステムの前 に述べた構成に対する基準点を形成する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関が、少なくとも１つの容積可変の燃焼室を備え、かつ内燃機関の 燃焼室の最小と最大の容積の間の差容積の和によって決まる内燃機関行程容積を 有し、かつ内燃機関に付属のターボ過給機システムが、内燃機関の排気ガス通路 内に配置されかつ流れ通路を有する少なくとも１つのタービンを有し、この流れ 通路が、リングノズル状の範囲を介してタービン羽根車に連通しており、このタ ービン羽根車の連通横断面積にブレーキ動作のために遮断装置が持込み可能であ り、この遮断装置を介して固定絞りとして、タービン羽根車への移行部における 流れ横断面積が決定可能である、内燃機関ターボ過給機システムにおいて、 タービンへの排気ガス通路内に、追加的に排気弁が設けられており、この排気 弁が、その開き横断面積に関して制御可能であり、かつ内燃機関の最大ブレーキ 出力の際のブレーキ動作に関して、 ・タービンへの排気ガス通路において最大ブレーキ出力の際に遮断装置と排気 弁によって空けられる流れ横断面積ＡＴ、 ・タービン羽根車の入口直径ＤＴ、 ・内燃機関の行程容積ＶＨが、互いに次の関係になっており： ＴＢＦ＝ＡＴ×ＤＴ／ＶＨ その際、ターボブレーキ係数としてのＴＢＦが、０．００５（５‰）より小さ い ことを特徴とする、内燃機関ターボ過給機システム。 ２．ターボブレーキ係数ＴＢＦが、０．００１と０．００３（１−３‰）の間 にあることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関ターボ過給機システム。 ３．ターボブレーキ係数ＴＢＦが、０．００２（２‰）にあることを特徴とす る、請求項２に記載の内燃機関ターボ過給機システム。 ４．タービンへの排気ガス通路において最大ブレーキ出力の際に与え られる空いた流れ横断面積ＡＴに対して、次のことが成立ち： ＡＴ＝ＡＤ＋ｄＡＶ，ｍａｘ その際、ＡＤがタービン羽根車への移行部において排気弁を閉じた際に遮断装 置によって空けられる流れ横断面積、かつ ｄＡＶ，ｍａｘが追加的に最大ブレーキ出力の際に排気弁によって空けられる 流れ横断面積である ことを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の内燃機関ターボ過給機シ ステム。 ５．タービン羽根車への移行部において排気弁を閉じた際に遮断装置によって 空けられる流れ横断面積ＡＤ対追加的に最大ブレーキ出力の際に排気弁によって 空けられる流れ横断面積ｄＡＶ，ｍａｘの比ＶＦに対して、次のことが成立つ： ＶＦ＝ｄＡＶ，ｍａｘ／ＡＤ＞０．２ ことを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関ターボ過給機システム。 ６．追加的に最大ブレーキ出力の際に空けられる排気弁の流出横断面積ｄＡＶ ，ｍａｘが、タービンへの排気ガス通路において流出横断面積範囲内において流 出横断面積ｄＡＶがとることができる上側限界値であることを特徴とする、請求 項５に記載の内燃機関ターボ過給機システム。 ７．可変の流出横断面積ｄＡＶが、回転速度に依存して可変であることを特徴 とする、請求項６に記載の内燃機関ターボ過給機システム。 ８．可変の流出横断面積ｄＡＶが、回転速度の低下とともに小さくなることを 特徴とする、請求項７に記載の内燃機関ターボ過給機システム。 ９．流出横断面積範囲が、回転速度帯域の上側範囲に対応し、この回転速度帯 域が、最大ブレーキ出力に相当する回転速度にまで達することを特徴とする、請 求項６ないし８の１つに記載の内燃機関ターボ過給機システム。 １０．最大ブレーキ出力が、内燃機関の定格回転速度の上にある回転速度の際 に与えられることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関タ ーボ過給機システム。 １１．追加的な可変の流出横断面積ｄＡＶが空けられる上側の回転速度範囲が 、最大ブレーキ出力の際に与えられる回転速度のほぼ２／３ないし３／４におい て始まることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の内燃機関ターボ過給機シ ステム。 １２．最大ブレーキ出力が、内燃機関の定格出力の際に与えられる定格回転速 度よりほぼ１／４ないし１／３高い回転速度の際に与えられることを特徴とする 、前記請求項の１つに記載の内燃機関ターボ過給機システム。 １３．遮断装置が、ブレーキ動作のために定置の羽根を有する案内装置によっ て形成されていることを特徴とする、前記請求項の１つに記載の内燃機関ターボ 過給機システム。 １４．遮断装置が、ブレーキ動作においてリングノズルの横断面積を少なくと も大体において覆うスリーブによって形成されていることを特徴とする、請求項 １ないし１２の１つに記載の内燃機関ターボ過給機システム。 １５．遮断装置が、穴又は切り欠きを備えたスリーブとして形成されているこ とを特徴とする、請求項１４に記載の内燃機関ターボ過給機システム。